Instituto Militar de Engenharia

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1 Instituto Militar de Engenharia Seção de Ensino de Engenharia de Fortificação e Construção Rio de Janeiro/RJ Fissuras em Reservatórios de Concreto Armado Conceitos e Teoria ( apresentação em slides) Prof. Eduardo Christo Silveira Thomaz 2006

2 Introdução Essa é a configuração das fissuras nas paredes de concreto, quando fissuradas pela retração impedida Fissura na parede

3 Introdução Tensões devidas à retração, ao longo de paredes, segundo a DIN

4 Fatores Influentes: Coação: Externa : Exemplo : Laje do fundo x Paredes Interna : Agregado graúdo x Pasta de Cimento Interna : Armadura x Pasta de Cimento Fluxo de calor : Entre camadas do concreto. Entre o interior e a superfície de uma parede. Entre o interior e o topo de um pavimento de concreto Retração: Plástica : Concreto ainda mole Autógena : Concreto vedado, sem troca de umidade com o ar. Hidráulica : Perda de água para o ar. Térmica : Esfriamento, perda de calor para o ar.

5 Fatores Influentes: Fissuração em paredes de reservatório Coação externa : Impedimento de deslocamentos causado pela laje do fundo Coação interna 1: Impedimento de deslocamentos causado pelos gradientes internos de temperatura e de umidade. Os esforços internos são auto-equilibrados! Coação interna 2: Impedimento da retração da pasta de cimento causado pela pedra e pelas armaduras. A retração autógena da pasta é 8 x maior que a do concreto. Os esforços internos são auto-equilibrados! Fluxo de calor : Convecção ( com transporte de massa) Radiação ( sem transporte de massa)

6 Fatores Influentes : Fissuração em paredes de reservatório Retração plástica: Perda de água enquanto o concreto está mole. A pouca fluidez do concreto pode causar fissura. Retração química: Na hidratação do cimento, o volume do produto final é menor que o volume dos reagentes. Retração autógena: Quando as partículas sólidas, formadas na reação química, entram em contato entre si, a redução do volume fica impedida e a retração resultante é menor que a retração química pura. Essa é a chamada retração autógena. Retração hidráulica: Secagem após o endurecimento do concreto. Perda de água para a atmosfera. Retração térmica 1: Resfriamento após o aquecimento que foi gerado pela liberação de calor na hidratação do cimento. Ocorre uma única vez. Retração térmica 2: Resfriamento causado pela queda de temperatura do ar ambiente. Queda de temperatura do ar durante as noites frias. Ocorre diariamente.

7 H = L L Distribuição de tensões segundo Daniel Cusson & Wellington L. Repette

8 Tensão de tração no concreto σ tração ( no ponto d/h acima da base) = Ec ε retração KR(d/H) ε retração térmica = α T. No concreto α 10-5 para L/H < 2,5 L = comprimento da parede H = altura da parede d = ordenada medida a partir da base da parede

9 Tensão de tração no concreto para L/H < 2,5 L = comprimento da parede H = altura da parede d = ordenada medida a partir da base da parede σ tração ( no ponto d/h acima da base) = Ec ε retração KR(d/H) ε retração térmica = α T. No concreto α 10-5

10 Fissuração em paredes de reservatório Exemplo de fissuras em barreira rodoviária ( Fenômeno idêntico ao das paredes de um reservatório ) Taxa de armadura = 0, 40 % w médio = 0,20mm w máx. =0,30mm distância entre fissuras = 0,80m alongamento médio = 0,20mm / 0,80m = = 0,25mm / m = ε tração médio ( medido ) = 0,25 mm/m Daniel Cusson & Wellington L. Repette Early-Age Cracking in Concrete Bridge Barrier Walls

11 Alongamento de fratura na tração Segundo Furnas f ctf = 0,165 f cc + 0,20 (MPa) f c = 20 MPa f c = 25 MPa f ctf = 3.5 MPa f ctf = 4.3 MPa Concreto com f c = 20 a 25 MPa ε tração 0,20 mm/m Ensaios do Laboratório de Furnas Concretos de diversas composições e resistências

12 Alongamento de tração Ensaios do Laboratório de Furnas Segundo Furnas f ctf = 0,165 f cc + 0,20 (MPa) f c = 20 MPa f ctf = 3.5 MPa f c = 25 MPa f ctf = 4.3 MPa Concreto com f c = 20 a 25 MPa ε tração 0,20 mm/m

13 Ensaios do Laboratório de Furnas Módulo de elasticidade do concreto f ctf = 0,165 f cc + 0,20 (MPa) Furnas f c = 20 MPa f c = 25 MPa f ctf = 3.5 MPa f ctf = 4.3 MPa Concreto com f c = 20 a 25 MPa E tração 22 GPa

14 Alongamento de tração na fratura por flexão Concreto com fc = 20 a 25 MPa ε tração 0,20 mm/m

15 Hidratação do Cimento Hidrólise inicial Retomada da hidratação Período de Dormência Redução da taxa de hidratação Hidratação lenta

16 Furnas Angra 1 - Eng. Walton Pacelli - Concreto bombeado com fck 28 = 31 MPa ; fcm=36,5mpa ; d.padrão=3,1mpa ; Cimento = 400 kg/m3 ; A/C = 0,45 ; D máx. = 27mm T Cimento laboratório Concreto obra

17 Fissuras verticais na parte superior das paredes devido à insolação na laje superior Reservatórios não enterrados expostos à insolação

18 Fissuras verticais nas paredes, na parte inferior, junto às fundações devido à retração das paredes finas ser mais rápida do que a da fundação Pilares com paredes finas

19 A Execução deve evitar a formação das fissuras O Projeto Estrutural deve prever armadura para limitar a abertura das fissuras. Usar H. Falkner O Projeto deve prever armadura para limitar a abertura das eventuais fissuras Fissuras de coação em geral verticais em decorrência de tensões de tração causadas pelo esfriamento rápido do concreto ou pela retração impedida no concreto Estruturas de edificações em concreto armado

20 Programa do Exemplos do programa Hiperpav FHWA para pavimentos de concreto

21 Sugestões para eliminar - reduzir fissuras nas paredes: 1- Usar cimento com baixo calor de hidratação, com baixo teor de C3A. Exemplo de nomenclatura : CPII-E-32BC O cimento antigo, antes de 1970, tinha grãos grossos e demorava mais a se hidratar, elevando menos a temperatura do concreto lançado. A finura do cimento era 100 m 2 / kg, hoje é 400 a 500m 2 / kg. O resfriamento posterior era menor. As tensões de tração eram menores. O teor de C3S era 45% ( em 1970) hoje é 57%. A hidratação do C3S e a liberação de calor é a mais rápida. Os cimentos atuais têm grãos muito finos. Hidratam mais rápido e liberam calor rapidamente. Estimativa para o aquecimento de um concreto usual : T 5 o C a 9 o C para cada 45kg de cimento Exemplo: Ao se usar 450kg de cimento/m3 de concreto, há o aquecimento do concreto entre 50 o C a 90 o C acima da temperatura de lançamento.

22 Sugestões para eliminar - reduzir fissuras nas paredes: O Eng. Walton Pacelli por m3 de concreto ( Furnas ) sugere não usar mais que 400kg de cimento 2) Usar concreto frio - Temperatura de lançamento < 15 o C. O Eng. Walton Pacelli ( Furnas) sugere 10 o C Para isso usar gelo na água de mistura. 3) Usar formas de madeira com duas folhas formando uma câmara interna de ar confinado. Esse ar confinado serve como isolamento térmico. O resfriamento é muito mais lento e o concreto tem tempo para ganhar resistência à tração. 4) Resfriar o concreto lançado com água gelada circulando em serpentinas. O Eng. Walton Pacelli ( Furnas ) sugere não deixar a temperatura do concreto ser maior que 60 o C.

23 Sugestões para eliminar - reduzir fissuras nas paredes: 5) Retirar as formas após uma redução lenta da temperatura no concreto. 6) Não usar formas de aço. Resfriam muito rapidamente o concreto. Usar armadura distribuída em varias camadas e não apenas nas 2 faces externas. 7) Usar um espaçamento entre os ferros de cerca de 7 φ. 8) Usar uma taxa de armadura total de ferro horizontal costela de 1,5 %, que é aproximadamente igual à taxa usada nas zonas tracionadas das vigas.

24 Recomendações feitas por Paulo J. M. Monteiro em Concrete International Novembro Concreto com pouca elevação de temperatura nas paredes Traço do concreto Material kg/m3 Cimento com 4% de C3A Obs : C 3 A = 3 (CaO). Al 2 O Cinza volante F (Fly Ash F ) 56 Areia 842 Pedra 3/8 (9,5mm) 282 Pedra 1 ( 25,4mm) 757 Água 167 Água / cimento 0,45 Superplastificante HRWRA 15 Retardador 0,50 Corante 0,40 Fibra 0,60 Total 2440

25 Recomendações feitas por Paulo J. M. Monteiro em Concrete International Novembro ) Concretagem de madrugada : antes da 5h, terminando antes das 9h. 2) Concreto ready-mixed, com cimento de baixo teor de C3A ( 4%) 3) Cinza volante ( Fly ash F ) - 15% substituição 4) Resfriar os agregados com água fria antes da mistura. 5) Concreto com água gelada e com gelo em flocos 6) Temperatura de lançamento do concreto 19 o C. 7) Temperatura ideal no lançamento do concreto = 15 o C. 8) Caminhões refrigerados antes do carregamento com concreto. 9) Formas de madeira mantidas no mínimo 2 ½ dias após a concretagem. 10) Formas de madeira mantidas até que a temperatura do concreto fique mais baixa, ficando apenas 15 o C acima da temperatura do ar ambiente. 11) Para isso, medir a temperatura interna do concreto com termopares. Sugestão Eduardo Thomaz : Usar taxa de armadura de 1,3 % com espaçamento < 7φ

26 Fissuras verticais na parte Inferior das paredes causadas pela retração das paredes impedida pela laje do fundo de galeria Galerias

27 Fissuras verticais nas paredes causadas pelo resfriamento rápido da superfície do concreto ou pela retração hidráulica do concreto Túnel em rocha com revestimento de concreto armado

28 Fissuras verticais nas paredes causadas pelas tensões de coação ocasionadas pela rocha Túnel em rocha com revestimento de concreto armado

29 Fissuras verticais nas paredes causadas pela elevada retração do concreto rico em pasta de cimento corte Túnel em rocha com revestimento de concreto armado

30 Concreto lançado com t =15 o Ca 18 o C Armadura 22mm cada 15cm em cada face Espessura 1,10 m Obra com controle da temperatura do concreto

31 Água gelada circulando Para evitar a fissuração: 1) Resfriar o concreto da parede, junto da laje do fundo. 2) Não é necessário resfriar o concreto no topo da parede

32 AR Traço do concreto: 300 kg de cimento cimento de alto forno 30 kg de trass / m3 fino :14% passando na peneira 0,25mm D máx. 32 mm Água / Cimento = 0,55 Aditivo de Plastificante Poros 2 % Resistência Bn35 A laje do fundo tinha 6 a 8 semanas de idade Variação da temperatura na parede após a concretagem, com refrigeração

33 Vazão relativa p = Pressão da água Fissura Auto-Vedação das fissuras dias Segundo Horst Falkner: Uma fissura com abertura de 0,15mm auto-veda em menos de 1 dia.

34 q(t) q(o) w 1,05 t 1,3+ 4w 5, w Auto-Vedação das fissuras Horas Segundo Carola.Katharina Edvadsen : Uma fissura, com abertura de 0,1mm auto-veda em 5 a 10dias w (mm) = abertura da fissura t (hora) = tempo de escoamento da água

35 Fissuras verticais causadas pelo resfriamento rápido e retração do concreto junto às fundações e acréscimo de temperatura na laje de cobertura Paredes de concreto em edifícios

36 VISTA LATERAL B CORTE BB Percolação fácil Percolação mínima Água Água Planta B Fissuração concentrada Fissura de reunião com grande abertura Fissuração subdividida Forte vazamento de água na face externa do reservatório. Causa : Fissura de "reunião" no interior da parede com o conseqüente vazamento de água Solução : Usar várias camadas de ferros horizontais longitudinais no interior da parede

37 Exemplo de Galeria enterrada N.A. 1,5m a 3,5m 2,5 m Água infiltrada 20

38 Abertura medida nas fissuras ( mm) Limite da NBR 6118 para a Classe III Wk < 0,30mm Wm =0.34 W k 90%=0.55 W max=0.9 φ 6,3mm Altura ao longo da parede (m) fissura 2 fissura 4 fissura 1 fissura 9+9A fissura 5 fissura 7 C = 4 cm 20 cm 20 cm fissura abertura (mm) Wm=0,34mm Wk90%=0,55mm 20 cm Armadura insuficiente Foi usada uma armadura de φ 6.3mm cada 20cm Deveria ter sido usado φ 10mm cada 10cm para ter W90%=0,30mm.

39 Abertura (mm) medida em 10 fissuras. Limite da NBR 6118 para a Classe III Wk < 0,30mm 2 Wm=0.34 W k 90%=0.55 W max=0.9 1,8 φ 6,3mm Altura ao longo da parede (m) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 C = 4 cm 20 cm 20 cm 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 abertura (mm) Wm=0,34mm Wk90%=0,55mm 20 cm Armadura insuficiente Foi usada uma armadura de φ 6.3mm cada 20cm Deveria ter sido usado φ 10mm cada 10cm para ter W90%=0,30mm.

40 Segundo Fritz Leonhardt e Horst Falkner : A uma distância de 7 diâmetros da barra forma-se a fissura de reunião. A distância entre as camadas de armadura deve ser 7 φ a 10φ.

41 Armadura - Fissura w90% = 0,10mm Horst Falkner 16 25mm; 14.7cm Taxa de armadura : Fissura w 90% = 0,10mm espaçamento (cm) mm; 13.9cm 20mm; 13.2cm 16mm; 11.5cm 12.5mm; 9.6cm 10mm; 8.0cm 8mm; 6.7cm 6.3mm; 5.4cm 5mm; 4.4cm 4.2mm; 3.7cm 0; Taxa de armadura (%) % 25mm ; 1.99% 22mm ; 1.87% 20mm ; 1.78% 16mm; 1.59% 12.5mm;1.39% 10mm ; 1.24% 8mm ; 1.11% 6.3mm ; 1.00% 5mm ; 0.91% 4.2mm ; 0.85% diâmetro (mm) diâmetro (mm)

42 Sugestão Eduardo Thomaz : Abertura de fissura de coação usar wk 90% = 0,1mm Ferros horizontais nas paredes

43 espessura da parede (m) γ água h3 M = γ água b H kmd = = 0, kn 60 γágua 257 b d 2 d (m) = H (m) 3fcd m 3 kn 40 fcd m 2 20 [ ] 0,257 Espessura da parede (cm ) X Altura de água (m) 1 H 18 d espessura recomendável espessura mínima altura de água (m) Reservatório com bordo livre no topo da parede

44 Fissuras verticais nas partes inferiores causadas pela não avaliação da abertura de fissuras em serviço e do esforço normal de tração Castelos d água com seção retangular

45 Fissuras segundo as geratrizes em decorrência da não observância do estado limite de formação de fissuras Castelos d água com seção circular

46 Má execução Reservatório de água em concreto armado Brocas no concreto causadas pela fuga de pasta pelas juntas das formas que não apresentem uma vedação perfeita

47 Corte Reservatório em concreto armado, executado em um terreno corte - aterro CAUSA DA FISSURAÇÃO: - Parte do reservatório está assente no terreno natural cortado e parte está assente no aterro. - Sob a ação do peso da água, o aterro recalca. O terreno natural cortado pouco recalca. - O reservatório tende a se deformar apenas na parte assente sobre o aterro. - A parte do reservatório sobre o terreno natural cortado se deforma muito pouco. - A parede sobre o aterro gira e fissura.

48 Alguns processos usados para vedar fissuras com gotejamento de água

49 Alguns processos usados para vedar fissuras com gotejamento de água Cimento em suspensão na água. Uso de suspensão de cimento na água, na proporção água / cimento = ( 6.0 / 1.0 ), em peso, com plastificante para evitar floculação. A vedação foi completa e imediata. Bentonita em suspensão na água. Com suspensão de bentonita na água, na proporção água / bentonita = (50.0 / 1.0), em peso, a vedação é completa e imediata. Os grãos de bentonita, em suspensão na água, não sedimentam. Isto facilita a vedação de fissuras em paredes verticais. Obs: Bentonita = Silicato de alumínio hidratado coloidal. Micro-sílica em suspensão. Usando uma suspensão de micro-sílica em água, na proporção água / micro-sílica=(20.0/1.0), em peso, a vedação da fissura é praticamente instantânea, quando a fissura for menor que 0,20mm. Os grãos de micro-sílica, em suspensão na água, também tendem a sedimentar.os grãos de micro-sílica, sendo muito mais finos que os grãos de cimento, vedam fissuras com pequena abertura ( w < 0,05 mm).

50 Erro de execução - Muito comum Armadura da parede Forma sem vedação na base Primeira etapa de concretagem Junta forma x concreto sem vedação Fuga de nata

51 Erro de execução - Muito comum Forma sem vedação no fundo e nas juntas verticais entre duas formas Forma sem vedação nas juntas verticais entre duas formas Fuga de nata

52 Erro de execução - Muito comum NBR : Concreto Endurecido - Determinação da penetração de água sob pressão ( 70 m de água < 30mm ) Execução incompatível com as exigências feitas para o concreto. Vazamento de água Observação : A profundidade de penetração da água, no ensaio NBR / 94, em um bom concreto, deve ser < 30mm. Em um concreto quase impermeável resulta uma penetração de água < 15mm.

53 Erro de execução - Muito comum Resulta na necessidade do uso da impermeabilização Impermeabilização

54 Erro de execução - Muito comum Junta de formas Água Brocas no Concreto Vazamento de água

55 Boa execução - Pouco comum Formas Primeira etapa de concretagem Material de vedação compressível ou Argamassa de cimento e areia Comprimir ao colocar

56 Boa execução - Pouco comum Em Planta Formas 1 a 2 mm Apertar a vedação com parafuso Vedação : Comprimir antes de colocar

57 Tipo de poros no concreto A porosidade do concreto é determinada, em grande parte, pela porosidade da matriz, visto que os agregados são pouco porosos. São rochas densas ou cristais sólidos como a sílica. Na pasta endurecida de cimento, os tipos de poros são 3 : 1. Bolhas de ar. 2. Poros capilares 3. Poros no gel Poros do gel são vazios que ficam entre as partículas do gel e resultam do fato de que o volume total dos produtos da hidratação, C-S-H gel e cristais de Ca.(OH) 2 ), é menor que o volume dos reagentes ( cimento e água). Essa redução de volume dos materiais sólidos é conhecida como retração química. O tamanho dos poros do gel varia entre 0,5nm a 10nm, ocupa 27% do volume da pasta de cimento totalmente hidratado, com uma relação a/c = 0,45. Poros capilares são vazios entre os grãos de cimento, que estavam inicialmente cheios de água e que depois foram parcialmente preenchidos por produtos da hidratação do cimento. O volume dos poros capilares depende da relação água / cimento ( a/c ). Essa relação define qual a distância inicial entre os grãos do cimento. O volume dos poros capilares depende do grau da hidratação que já ocorreu. O tamanhos dos poros capilares varia entre 10nm a 10 µm. Os poros capilares ocupam cerca de 14% do volume da pasta de cimento totalmente hidratada, com uma relação a/c = 0,45. Bolhas de ar se formam durante a mistura do concreto fluido e pastoso e seu tamanho varia entre 10µm e 10mm. Nos concretos usuais as bolhas de ar são pouco numerosas. Poros do gel Poros capilares Bolhas de ar 27 % do volume da pasta 14 % do volume da pasta 0.5nm 10nm 10µm 10mm

58 Poros capilares na pasta de cimento hidratado P 10µm Microestrutura do concreto - Largura do campo = 125µm - Aumento 2000 X Ca (OH)2 = Portlandita Hexagonal ( P ) Idade 28 dias após a hidratação. ABCP - Geóloga Silvia Vieira Microscopia eletrônica de varredura.

59 Poros capilares na pasta de cimento hidratado A H S 10µm Microestrutura do concreto - Largura do campo = 60µm - Aumento 2000 X Cristais aciculares de C-S-H em tufos ( H ) e em agulhas ( S ), gerados pela decomposição da alita C3S (A). Idade : 1 dia após a hidratação. ABCP - Geóloga Silvia Vieira Microscopia eletrônica de varredura.

60 Poros capilares na pasta de cimento hidratado C H 10 µm Microestrutura do concreto - Largura do campo = 60µm. Aumento 2000 X Microestrutura densa definida por C-S-H do tipo III ( H ) e cristais cilíndricos ( C ) Idade 28 dias após a hidratação. Notar a homogeneidade da pasta. ABCP - Geóloga Silvia Vieira Microscopia eletrônica de varredura.

61 Química do Cimento - Variação do Volume Retração química Na hidratação do cimento, o volume do produto final é menor que a soma dos volumes dos reagentes. Dale P. Bentz - National Institute of Standards and Technology, Building and Fire Research Laboratory - J. Am. Ceram.Soc Hidratação dos Silicatos de Cálcio C S + 5, 3H C SH + 1, 3CH 3 17, 4. 1, , , , 61. volume= 9 % C 2 S , 3. H C 17,. S. H 4 + 0, 3. CH... 1, , , , 191 volume = 9 % Terminologia C = CaO, H = H2O, S = Si O2

62 Hidratação dos aluminatos e da ferrita C3A + 6 H C3AH 6.. 1, , 21 1, 69. volume = 24 % C 3 A+ 3C. S. H H C 6 AS 3 H , , , , 30.. volume= 6 % 2C A + C A. S 3 H + 4H 3C ASH , , , , 278 volume = 5 % 2C. A. F + C. A. S. H + 12H 3. C. A. S. H + 2. C. H + 2. F. H , , , , , , 19 volume = 5% Terminologia C = CaO, H = H2O, S= Si O2, A = Al2O3, S = SO3, F = Fe2O3

63 VISTA LATERAL B CORTE BB Percolação fácil Água Água B Fissuração concentrada Fissura de reunião com grande abertura Sugestão Eduardo Thomaz : Para evitar um forte vazamento de água na face externa do reservatório, causado pela fissura de "reunião, no interior da parede, usar várias camadas de ferros horizontais longitudinais Percolação mínima Planta Fissuração subdividida